时间的形状

上个学期末买的一本汪洁写的科普读物,因为临近期末考试没有看完,放寒假回家看完了这本书。一直想写一下读后感的,但懒的一直没写,假期太颓废了。。。前两天在家看了部电影《星际穿越》,觉得还是写点东西吧。毕竟不是专业人士,好多地方写的乱七八糟的。

文章有点长。。。。。

言归正传

 

第一章 不得不说的废话

也不全是废话

说了四个必须了解的概念

波普尔的证伪说——科学与伪科学的量尺

奥卡姆剃刀原理——科学需要什么样的假设

思维实验——在大脑中运行的实验

佯谬——乍一看肯定不对,但没想到确实真的

第二章 伽利略和牛顿的世界

说实话,我高中物理学的真不咋地,特别是力学方面,更是一塌糊涂,这章能看下去真是不容易。

反正这章讲的上过高中的应该都知道,像伽利略的自由落体定律、牛顿的惯性定律(牛顿第一运动定律)等等。

伽利略相对性原理:在任何惯性系中,力学规律保持不变

伽利略变换式:x'=x-vt        t'=t

顺道讲了史上最牛炼金术师牛顿的一些成就吧

及牛顿的绝对运动观和绝对时空观(不懂。。。)

第三章 光的速度

我们现在都知道光的速度大概是31万千米/秒,但以前的人们可不知道,这章主要还是讲各大物理神通测光速的故事,内容蛮有趣的哈

作者说这本书的内容读者都可以忘掉,但是在这章讲的一个迈克尔逊-莫雷实验千万要记得,这个光的双缝干涉实验很重要的样子。

第四章 爱因斯坦和狭义相对论

1.在任何惯性系中,所有物理规律保持不变(相对性原理)

2.光在真空中的速度恒为c(光速不变原理)

3.作者讲了一个故事来解释一个重要的概念:同时性的相对性;(故事很长,就不抄了)

4.时间会膨胀,重头戏来了!假设用光速不变原理来制造一个宇宙中最准的光子钟(如下图),光子钟构造很简单,上下两面镜子相距15厘米,中间有一个光子可以在两面镜子之间来回的反射,光子在两面镜子之间来回弹一次,可以想象成“滴答”一声,我们通过“滴答”的次数来衡量和比较时间这个虚无缥缈的东西。然后呢一个人拿着这个光子钟坐上宇宙飞船,发射!另一个人拿着光子钟站在地面上,看着宇宙飞船从眼前飞过。假设我们可以看到飞船内部光子钟的情况(如下图),“地面上的观察者看到的宇宙飞船中的光子钟飞行路线比地面上的要长”。爱因斯坦整理出了一个公式:

t'=t/√(1-(v/c)²),日常生活中我们的速度都很慢(相对于光速),所以1-(v/c)²几乎等于1,就相当于伽利略变换式了(t'=t),但当我们速度逐渐增加,甚至接近光速时1-(v/c)²作为分母越来越小,t’越来越大,也就是说时间变慢了。有人会说如果我们速度超过光速会怎样,会时光倒流吗?很遗憾,我们的速度永远不会超过光速。若我们在一架飞机上,飞机以300米/秒的速度飞行一百年,会比在陆地上的我们年轻26.3分钟。可以长生不老吗,也不行,假设当我们乘坐以0.99c速度的宇宙飞船在宇宙旅行时,根据公式计算。我们的一年相当于地球上的人的七年,但我们自己感觉像是过了一年,在地球上的人(假设)能看到我们的一举一动,会发现我们的动作被放慢了。就是我们能活多少岁还是多少岁,假设我们自己感觉活了100岁,但在地球上的人来看,我们慢动作活了1000年。

之后讲了两个洛伦兹变换公式,式子有点复杂,就不写了

5.空间会收缩 推理过程不想写了,记住结论就好了,反正小爱同学也推出了一个式子:反应物体在我们眼里会在运动方向上发生长度收缩现象,当然运动速度也是和光速相比较的,日常生活中的速度根本看不出啥变化。

6.新的速度合成公式:式子很麻烦,略

光速极限:迄今为止,人类没有发现任何超光速运动,所有关于超光速的报告都被证实是错误的。因此,光速极限一直是相对论的坚实基础。

质能奇迹:E=mc²  

无与伦比的公式,代表质量和能量可以相互转换,解开了许多疑惑(比如太阳为啥能经久不息的放出如此巨大的能量),高中好像学过这个公式,记不太清了。

第五章 广义相对论的宇宙

等效原理:对于任何参考系来说,我们都可以把它分解为一个在引力场中的惯性系来考虑,这样一来,所有的参考系就平等了,参考系和参考系之间就没有任何区别了。

有了等效原理后,可以把任何非惯性系都转换为惯性系,只要额外处理一个引力场的影响即可。

爱因斯坦首先通过一个思维实验,得出了引力会是光线弯曲的结论。

引力其实造成的是时空弯曲,也就是时间和空间同时被弯曲了。

在引力越强的地方,时空被弯曲的越厉害。地面上的地球引力比在高山上的地球引力要大,所以地面上的时钟会比高山上的时钟走的慢一点。但是:地球是在自转的 ,因此离地面越高,自转的线速度就会越大,根据之前说的狭义相对论,速度越快,时间越慢,因此似乎高山上的时钟应该比地面上的慢;但是根据广义 相对论,高山上的引力更小,所以高山上的时钟又应该比地面上的快。结论是都对的,但那个效应更显著一点呢。科学家们经过计算,是广义相对论效应更显著。

引力的本质:引力这东西到底是什么?我们看不见它,摸不着它,但它又无处不在。从你有记忆的第一天起,你就能记得自己是怎么走在路上跌倒,又是怎么费力地爬起来;当你逐渐长大,你丢沙包,打篮球,一头扎进水里游泳,这一切都让你无时无刻不在感受着地球的引力;再长大一点,你开始明白潮起潮落是因为月球的引力影响了海水。有一天,你终于抬头好奇的注视着浩渺的星空,日月星辰,斗转星移,你能看到的宇宙中的一切都被引力这双无形的大手操控着。引力到底是什么?牛顿认为,引力就像一根无形的线,牵连着宇宙中的所有物体。我们地球正是被一根从太阳上拉出的无形的线牵引着,绕着太阳做着有规律的圆周运动。按照牛顿的万有引力公式,若太阳质量瞬间降为0,引力的大小也会瞬间降为0,就好像这根线突然断掉了。那么地球就应该瞬间被甩出去,这就叫引力的超距作用。但小爱同学是怀疑这个观点的,根据狭义相对论所证明的,没有什么信号或能量的传递速度能超过光速,如果太阳瞬间消失,地球最快也要在8分钟后才能得知真相,引力的传播绝不可能逾越光速这个极限。所以牛顿错了,但如果不是牛顿所说的看不见的线,引力又到底是什么?引力可以引起光线的弯曲,光为什么会弯曲?因为光要走最短的路径,在一个弯曲的时空里,光的最短路径看起来就像一条曲线,就好像我们在一个皮球上的两点画一条最短的线,它看上去就是一条曲线。既然光总是走最短的路径,物理规律都是一样的,一个人出去的小球是不是也应该走最短路径呢?是的,如果没有地球引力,这个小球就会沿着直线一直飞下去。现在有了地球引力,这个小球走了一个抛物线落在地上,它的运动轨迹是一根曲线,那么,我们觉得这根曲线就应该是小球认为的在这个空间中的最短路径,我们这个空间是被地球引力包裹的空间。所以,对,引力的实质并不是一种力,只不过就是空间弯曲的外在表现而已,没有什么无形的线,只有弯曲空间这个实质。我们的宇宙就好像一张张开的大网,地球就压在这张网上,网被压得凹陷了下去。

之后作者展示了小爱同学计算水星轨道,还有星光实验,都蛮有趣的。

黑洞:什么东西产生引力?是质量,质量越大,引力越强;引力越强,空间被弯曲的越厉害。把宇宙空间想象成一张细密的网,任何有质量的物体就像一个球放在这张网上,这个球质量越大,体积越小,则在这张网上下陷得就越深。随着下限的深度越来越大,就会越来越像一个空间中的洞。任何掉进这个洞里面的东西想要出来,就好像掉井下的青蛙想要跳出来,必须达到一个能逃出来的最低速度才行,我们称这个速度为“逃逸速度”。逃逸速度的值取决于天体的质量和半径这两个参数。如果质量足够大,半径足够小,使得逃逸速度大于光速,那么光是不是也无法从洞里逃出来。德国天体物理学家史瓦西首先开始研究这个问题,并通过广义相对论的引力场方程算出了名垂千古的“史瓦西半径”。意思是说任何天体都存在这样一个半径临界值,如果小于这个半径,那么它在宇宙空间的这张网上抠出的这个洞就会成为一个名副其实的“黑洞”。这个半径取决于天体的质量,比如若地球半径压缩到只有九毫米的话,地球也可以变成一个黑洞。史瓦西半径也被形象的称为“视界”,视界之内,就是全黑的,因为光也逃不出来。黑洞也不是全黑的,黑洞的两极(视界之外)会喷发出巨大的X射线,但并不是从黑洞里面喷发出来的。黑洞还有个特别有趣的性质,就是它的质量大道把时间和空间都扭曲成了一个洞,空间扭曲成一个洞还好说,时间被扭曲成一个洞是咋回事?在黑洞里面,时间停止了,准确的说,时间不存在了,时空在这个地方被打了一个死结。人类对于黑洞的认知止步于黑洞的“视界”.

宇宙最不可理解之处在于它竟然是可解的。

爱因斯坦深入研究广义相对论的引力场方程后,得出了一个让自己也无法相信的结论:宇宙不可能是稳定了。要么在收缩,要么在膨胀。通过哈勃的观测,我们的宇宙确实正在膨胀。既然宇宙无时无刻不在膨胀,那么宇宙是不是也有一个诞生的时刻,是从一个很小的点开始,然后突然就爆炸出来的呢?宇宙有一个起点,这个起点用科学家的话说叫“奇点”。宇宙诞生于一场疯狂的大爆炸,这个大爆炸的强度超出了人类的任何想象,大爆炸完了之后就是无止休的膨胀。那么,宇宙会膨胀到什么程度?在宇宙之外是什么呢?这个我们都无从知晓。

宇宙的神奇之处就在于,它比我们所能想象的还要神奇!

第六章 时空那点事

这章主要还是讲了四维时空和一些时空的故事。所谓四维时空,我们生活在四维时空中,但我们人类本身确实三维生物,第四维是时间。我们用x、y、z建立一个三维的坐标系,我们想象不出四维的样子,但我们把三维想象成二维,就是x、y平面想象成三维的,z轴是时间轴,时间轴是单向的。爱因斯坦称,我们每个人的速度都是光速的,这个四维时空中,但我们在三维时空中的速度很慢,因此根据速度合成大部分速度来自时间轴的速度。想象一下,合成速度是c,如果我们在三维空间中的速度越大,合成速度不变,那么在时间轴上的速度就越小,那不就是相当于时间变慢了嘛。和狭义相对论的结论很像呀。

第七章 再谈四维时空

心事浩茫连广宇,于无声处听惊雷

我们人人都生活在一个四维时空中,其中,空间有三个维度,时间是一个维度。建一个四维时空图:(1)所有的的坐标轴互相垂直(2)坐标轴单位统一(3)表示时间维度的轴只能朝一个方向运动

如果我们站在原地不动,过了1个小时,我们在时空中的运动轨迹是一根和时间轴平行的直线;如果我们坐火车坐了一个小时,我们的时空轨迹图是一根斜线,因为我们的三维空间分走了一部分速度;假设太阳不动,地球绕太阳公转,太阳的时空轨迹也是一根直线,而地球的时空轨迹就像一个螺旋线在时间轴不停地向上螺旋;再以太阳为参考系,太阳光的世界线是啥呢,像一个锥面,倒立的锥面;

任何一个事件都可以当做是时空坐标的原点,不管这个事件会不会发光,我们都可以假想出这个事件是发光的,那么就可以画出这个事件的光锥图,这个光锥被闵可夫斯基称为“事件的未来光锥”。什么叫事件,宇宙中发生的任何事情都可以称为一个事件。

重头戏:“宇宙中的任何事件都只能影响它的未来光锥内的物体,凡是在事件的将来光锥外的物体不会受到该事件的任何影响”。

又称:光锥之内即命运

第八章 上帝的判决

上帝不掷筛子,爱因斯坦一直认为宇宙是按照一定的规则发展的,这个规则是早就制定好的,认为这个宇宙是“定域”,宇宙的剧本已经定稿了。可是是这样的吗?

我们现在都知道有个很火的量子力学,量子力学在某些方面和相对论是冲突的。我们知道量子有个纠缠态,量子之间传递信息超过了光速,这显然违背了相对论的理论基础,但相对论是没错的,这是无可撼动的。(不懂量子力学,解释的稀里糊涂的。。。)

我们现在的理论就像下面这张图,x轴为微观尺度,y轴为宏观尺度,原点为常规尺度

现在要命的是相对论和量子论从本性上水火不容,他们之间的鸿沟无法跨越。

现在科学家们都在追求一个新的理论,能兼容量子论和相对论和牛顿理论,这种新的理论称为“万物理论”,万物理论就是那一整张图!

希望能在有生之年看到万物理论的诞生,虽然我无法为这个理论的发展做什么贡献。

第九章 宇宙是一首交响乐

超弦理论(万物理的论候选理论)

上帝粒子:希格斯子

 

写在后面的话:

至此,总算总结完了,可能我总结的连整本书的十分之一都不到,但我觉得这就已经足够了,这已经给我带来了一个全新的时空观,宇宙观。

小时候父母给我买了一整套的十万个为什么,我拿到那些书,书里的内容我只喜欢看有关黑洞呀,太空啦等等相关的问题。

后来,我买了个望远镜,不是天文望远镜,就是个普通的望远镜。之后在每个月的十五都会趴在阳台看月亮。有时候看不见月亮,我会伤心好一阵。小时候总以为月亮是自己的守护神,后来才知道,月亮不止守护着我,还有整个地球。

宇宙如此之大,向地球这样的宜居星球能有多少,以目前人类的水平,短时间可能还找不到新的宜居星球,所以要好好爱护我们的环境啊。地球不只是属于我们人类,它也是动物植物的家。所以不要在捕杀野生动物了(o(╥﹏╥)o)。

如果上帝可以听见振动着的弦发出的声音,那么每一个基本粒子就是一个音符,原子就是乐句,分子就是乐段,世间万物,你和我就是乐章,整个宇宙就是一首恢弘的交响乐。这首交响乐从宇宙诞生的那天就开始演奏,一刻不停歇,直到宇宙消失的那天为止。

时间的形状,对我们而言,我们没有能力去改变时间,但我们有能力用时间书写一个与众不同的道路。

不行了,我要吐出来了,这写的什么玩意。。。。

加油!

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  1. 额额说道:
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